W波段雪崩管窄脈沖調(diào)制器的研究講解過程

中心論題：

脈沖調(diào)制器的基本組成和工作原理

電路設計

波形分析和實驗測試

解決方案：

利用方波發(fā)生器4060和觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖周期信號

脈沖變換及調(diào)制脈沖產(chǎn)生

隨著毫米波固態(tài)器件的發(fā)展，毫米波近程探測器逐漸從Ka波段轉(zhuǎn)向W波段。本文的應用背景就是一部W波段的主被動復合探測器系統(tǒng)，它是通過主動毫米波雷達和被動毫米波輻射計進行復合工作，對目標進行測距、定位和目標識別的微小型探測器。

脈沖調(diào)制器是本系統(tǒng)中的重要組成部分，它除了調(diào)制射頻功率源外，還為系統(tǒng)的測距電路和信號處理電路提供基準信號和觸發(fā)信號。本系統(tǒng)的射頻功率源由雪崩二極管振蕩器產(chǎn)生，它與體效應管振蕩器相比，工作頻率高、功率大，但對脈沖調(diào)制器的瞬態(tài)驅(qū)動電流要求也高。具體的指標要求是：瞬態(tài)脈沖電流不小于15A，此時電源電壓不高于25V，脈沖寬度不大于100ns，脈沖占空比小于二百分之一，另外上升沿和下降沿時間為10ns左右，頂部的壓降率不超過10%。本文的重點就是研究如何產(chǎn)生這樣的脈沖來達到系統(tǒng)的要求。

脈沖調(diào)制器的基本組成和工作原理

脈沖調(diào)制器主要由調(diào)制開關(guān)、儲能元件、充電及隔離元件、旁通元件等四部分組成，如圖1所示。

各部分的功能作用如下：

充電及隔離元件有電阻和電感兩種。其作用是：對儲能元件按一定方式進行充電，把高壓電源同調(diào)制開關(guān)隔開，避免在調(diào)制開關(guān)接通時高壓電源過載。

儲能元件一般為耐壓值和容值較大的電容。其作用是：在較長的脈沖間歇期間從高壓電源獲取能量并不斷儲存起來，而在極短的脈沖工作期間把能量轉(zhuǎn)交給振蕩器。這樣，高壓電源的功率容量和體積大為減小。

旁通元件一般為電阻或電感。其作用是：構(gòu)成儲能元件的充電回路，在儲能元件放電時，它所呈現(xiàn)的阻抗比振蕩器阻抗大得多，對放電電流基本上沒有影響，而且還可以改善調(diào)制脈沖后沿波形。

調(diào)制開關(guān)采用MOS功率場效應管。它的作用是：在外來脈沖觸發(fā)的短暫時間內(nèi)接通儲能元件的放電回路，以形成納秒級的調(diào)制脈沖，在外來脈沖間歇期間它是斷開的，以使儲能元件充電。由于放棄了真空開關(guān)管等器件，使由于真空器件失效而產(chǎn)生的失效率降為零，從而提高了探測器的可靠性，同時還能使探測器的體積大幅度減小。

通過以上各部分功能的描述，可清楚地看出脈沖調(diào)制器的工作原理就是利用具有一定脈沖寬度和重復周期的脈沖，通過控制調(diào)制開關(guān)的通斷來控制儲能元件的充放電，從而形成符合要求的高壓脈沖，驅(qū)動振蕩器工作。它實質(zhì)上是一個功率轉(zhuǎn)換器，即將平均功率較小的直流電源轉(zhuǎn)換成脈沖功率較大的窄脈沖源。假設在整個脈沖間歇期內(nèi)儲能元件儲存的能量為Wc，則Wc=Pe?（T-τ）?ηc?。?）

式中，Pe為電源供給的平均功率；ηc為充電效率； T為脈沖重復周期；τ為脈沖寬度。

在本系統(tǒng)中，T》》τ，故T-τ≈T，則Wc≈Pe?T?ηc （2）

在脈沖期τ內(nèi)，調(diào)制開關(guān)導通，儲能元件通過放電回路向振蕩器負載放電從而形成調(diào)制脈沖。顯然，振蕩器在脈沖期τ內(nèi)得到的功率即脈沖調(diào)制器的輸出脈沖功率Pτ為：

式中：ηd為放電效率；ηm=ηc?ηd為調(diào)制器的效率，一般在60%～80%。

由公式（4）可以看出：調(diào)制器輸出的脈沖功率遠大于電源供給調(diào)制器的平均功率，電源能量得到比較充分的利用。

電路設計

a.脈沖控制信號產(chǎn)生

利用數(shù)字電路產(chǎn)生周期脈沖信號的方法有很多，本文采用的是利用方波發(fā)生器4060產(chǎn)生周期為20μs的方波信號，然后觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生脈寬為50ns～150ns可調(diào)的脈沖周期信號。電路原理圖如圖2所示。

4060是一種內(nèi)含振蕩器的14位并行二進制計數(shù)器，計數(shù)器在時鐘的下降沿到來時計數(shù)，內(nèi)部含有的時鐘產(chǎn)生電路通過外接RC元件或晶體即可組成RC振蕩器或晶體振蕩器，輸出的方波信號可作為內(nèi)部計數(shù)器的時鐘信號。

74LS123是一種常用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它可以有多種觸發(fā)方式，可利用脈沖信號的上升沿或下降沿觸發(fā)產(chǎn)生所需的正脈沖或負脈沖，脈沖寬度由外部RC的值來決定。

b.脈沖變換及調(diào)制脈沖產(chǎn)生

由于數(shù)字電路輸出的TTL電平脈沖信號驅(qū)動能力很弱，無法直接驅(qū)動大功率的MOS管，所以要先對弱脈沖信號進行放大，才能驅(qū)動后面的MOS管。放大電路如圖3所示。

弱脈沖放大電路的輸出脈沖通過控制MOS管的通斷控制電容的充放電，從而形成符合要求的調(diào)制脈沖，驅(qū)動振蕩器工作。調(diào)制脈沖產(chǎn)生電路如圖4所示。

波形分析和實驗測試

在理想情況下，脈沖調(diào)制器輸出的脈沖應為矩形，矩形脈沖頂部平坦，脈沖持續(xù)期間雪崩管振蕩器的功率和頻率穩(wěn)定。但實際上，由于脈沖調(diào)制器中不可避免地存在有寄生參量，例如分布電容、引線電感等，而其上的電壓、電流又是不能突變的，這就使得脈沖調(diào)制器不可能輸出理想的矩形調(diào)制脈沖，一般脈沖波形如圖5所示。

圖中τr表示脈沖上升沿時間，τf表示脈沖下降沿時間，τ表示脈沖寬度，脈沖頂部變化率為：

在實驗中，用1Ω純電阻作為等效負載，外接25V直流穩(wěn)壓電源，用示波器觀察輸出脈沖波形。示波器上得到的輸出脈沖波形如圖6所示。圖中橫坐標為時間，單位是100ns/大格；縱坐標為幅度，單位是5V/大格。從圖6中可以看出脈沖寬度小于100ns，上升沿時間小于10ns，下降沿時間略大于10ns ，頂部比較平坦。由于采用1Ω純電阻作為等效負載，該波形也可以看作是脈沖電流波形，從該波形可以看出瞬態(tài)脈沖電流超過了15A。

本文研制的窄脈沖調(diào)制器接上雪崩二極管振蕩器，能夠使振蕩器振蕩，在93.7GHz的輸出脈沖下測得的平均功率為9dBmW，這說明本文研制的脈沖調(diào)制器是可行的。本調(diào)制器還可用于驅(qū)動Ka波段體效應管振蕩器，也可用于脈沖體制的毫米波雷達等的發(fā)射機中。